【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】天文学家们利用美国宇航局的哈勃太空望远镜，对宇宙膨胀率进行了最精确的测量，这是近一个世纪前首次计算出来的。有趣的是这些结果迫使天文学家们考虑到可能正在看到宇宙中一些意想不到的事情的证据。这是因为哈勃最近的发现证实了一个令人不安的矛盾，即宇宙膨胀速度比宇宙大爆炸后不久的轨迹要快。研究人员表示，可能有新的物理学来解释这种不一致性。美国太空望远镜科学研究所(STScI)的首席研究员、诺贝尔奖得主亚当·里斯(Adam Riess)和约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的亚当·里斯(Adam Riess)说：努力理解这种差异的意义。
这幅图展示了天文学家用来测量宇宙膨胀率(哈勃常数)的3个步骤，以达到前所未有的精确度，将总不确定性降低到2.3%。这些测量方法简化并加强了宇宙距离阶梯的建造，它被用来测量离地球近距离远的星系的精确距离。最新的哈勃研究扩展了造父变星的数量，分析了我们的星系的距离，比之前的哈勃望远镜观测到的距离要远10倍。图片版权：美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)、美国科学技术研究所(STScI)和A. Riess (STScI/JHU)
Riess的团队，包括STScI和Johns Hopkins的Stefano Casertano，在过去的6年里一直在使用哈勃望远镜来精确测量到星系的距离，用他们的恒星作为里程碑的标记。这些测量值用来计算宇宙随时间膨胀的速度，这个值被称为哈勃常数。该研究小组的新研究扩展了被分析的恒星的数量，比之前的哈勃望远镜观测到的距离更远10倍。但是里斯的价值强化了与早期宇宙膨胀的观测所产生的期望值的差距，在大爆炸之后的378000年——这是大约138亿年前创造宇宙的暴力事件。这些测量是由欧洲航天局的普朗克卫星进行的，它绘制了宇宙微波背景，这是宇宙大爆炸的遗迹。这两个值之间的差异大约是9%。哈勃望远镜的新测量结果有助于减少这一数值上的差异是巧合的概率为1 / 5000。
普朗克的结果预测，哈勃常数现在应该是每秒67公里，每百万秒(330万光年)，也不可能高于每秒69公里。这意味着，距离银河系每330万光年远的地方，它的移动速度是每秒67公里。但是里斯的团队测量了每百万秒每秒73千米的数值，这表明星系的运动速度比早期宇宙观测的速度要快。哈勃的数据是如此精确，以至于天文学家无法将这两个结果之间的差距斥为任何单一测量或方法中的误差。“这两个结果都经过了多种测试，所以排除了一系列不相关的错误，越来越有可能这不是一个缺陷，而是宇宙的一个特征。
解释一个棘手的差异
里斯概述了对这种不匹配的几种可能的解释，都与笼罩在黑暗中的95%的宇宙有关。一种可能性是，已经被认为正在加速宇宙的暗能量，可能会以更大或更强的力量将星系推离彼此。这意味着加速度本身可能在宇宙中没有恒定的值，而是随着时间的变化而改变。里斯分享了1998年发现加速宇宙的诺贝尔奖。另一个想法是，宇宙中有一个新的亚原子粒子，它的速度接近光速。这种快速的粒子被统称为“暗辐射”，包括在核反应和放射性衰变中产生的已知粒子，如中微子。不像正常的中微子，它是由亚原子力相互作用的，这种新粒子只会受到引力的影响，被称为“惰性中微子”。
另一种有吸引力的可能性是暗物质(一种由质子、中子和电子组成的不可见物质)与正常物质或辐射的相互作用比先前假设的更强。任何这些情况都会改变早期宇宙的内容，导致理论模型的不一致。这些不一致会导致哈勃常数的不正确值，从年轻宇宙的观察推断出来。这个数值与哈勃观测得出的数字是不一致的。里斯和他的同事们对这个棘手的问题还没有任何答案，但是他的团队将继续致力于微调宇宙膨胀率。到目前为止，Riess的团队，被称为H0的状态方程(SH0ES)，已经将不确定性降低到2.3%。在哈勃望远镜于1990年发射之前，对哈勃常数的估计变化了两倍。哈勃的一个重要目标是帮助天文学家将这种不确定性的价值降低到只有10%的误差范围内。自2005年以来，该组织一直致力于将哈勃常数的精确度提高到能够更好地理解宇宙行为的精确度。
建造坚固的距离梯
该团队通过简化和加强宇宙距离阶梯的建造，成功地改善了哈勃常数的价值，天文学家用来测量离地球近和远的星系的精确距离。研究人员将这些距离与空间膨胀的距离进行了比较，这是通过从后退的星系发出的光来测量的。然后每一距离上使用星系的表面速度来计算哈勃常数。但是哈勃常数的值和测量的精确度一样精确。天文学家不能用卷尺来测量星系之间的距离。相反选择了一些特殊的恒星和超新星，作为宇宙尺度或里程碑，以精确测量银河系的距离。在较短的距离中最可靠的是造父变星，它会使亮度变亮的恒星变亮，使它们的亮度变暗。因此距离可以通过比较它们的内在亮度和从地球上看到的亮度来推断。
这些哈勃太空望远镜的图片展示了19个星系中的2个，以提高宇宙膨胀率的精确度，这一数值被称为哈勃常数。彩色合成图像显示NGC 3972(左)和NGC 1015(右)，分别位于距离地球6500万光年和1.18亿光年。每个星系的黄圈代表了被称为造父变星的脉动恒星的位置。图片版权：NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)
在1913年，天文学家Henrietta Leavitt第一次认识到造父变星的效用。但是第一步是用一种叫做视差的几何工具来测量到仙王座的距离。视差是物体位置的明显偏移，因为观察者的视角发生了变化。这项技术是古希腊人发明的，用来测量从地球到月球的距离。哈勃的最新成果是基于对我们银河系中8个新造的仙王座的视差的测量。这些恒星距离地球的距离是之前研究的10倍，距离地球6000光年到12000光年，这使得它们更具挑战性。它们会以更长的时间间隔跳动，就像哈勃在遥远的星系中观察到的造父变星一样，包含另一个可靠的尺度，爆炸的恒星叫做Ia型超新星。这种类型的超新星耀斑具有均匀的亮度，而且亮度足够高，可以从较远的地方看到。之前的哈勃观测研究了10个快速眨眼的造星器，距离地球300光年到1600光年。
扫描恒星
为了测量与哈勃望远镜的视差，研究小组不得不测量出由于地球绕太阳运动而产生的“仙王座”的微小摆动。这些抖动的大小仅为望远镜相机上一个像素的1/100，这大概是100英里以外的一粒沙子的表观大小。因此为了确保测量的准确性，天文学家们发明了一种聪明的方法，在哈勃发射时没有预想到。研究人员发明了一种扫描技术，在这种扫描技术中，望远镜每6个月测量一颗恒星的位置，每6个月测量一次，持续4年。研究小组校准了八颗缓慢跳动的恒星的真实亮度，并将它们与更遥远的眨眼睛的表兄弟相互关联，以加强他们距离阶梯上的不准确。研究人员随后比较了这些星系中造星和超新星的亮度，这样他们就能更准确地测量恒星的真实亮度，从而更精确地计算出遥远星系中数百个超新星的距离。
这项研究的另一个优势是，研究小组使用了同样的仪器，哈勃的宽视场相机3，来校准附近的造星系统和其他星系的发光密度，从而消除了通过比较不同望远镜的测量结果而无法避免的系统误差。通常情况下如果每6个月试着测量一颗恒星相对于另一颗恒星的位置变化就会受到限制，因为能精确计算出恒星的位置。利用这项新技术，哈勃缓慢地穿过一个恒星目标，并将图像捕获为一束光。“这种方法允许重复的机会来测量由于视差而产生的极小的位移。测量的是两颗恒星之间的距离，不仅仅是在相机上的一个地方，而是在数千次以上，减少了测量中的误差。该团队的目标是利用哈勃和欧洲航天局的盖亚太空观测站的数据进一步减少不确定性，该观测站将以前所未有的精度测量恒星的位置和距离。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Donna Weaver
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：NASA's Goddard Space Flight Center
编译：中子星
审校：博科园
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